Eguzki-erlojutik erloju autonomora

Zelula fotoelektriko klasikoa eta kondentsadore berezia duen eguzki-erloju hau da azken denbora-neurgailu autonomoa.

Eguraldi ona egiten duenean, edozein makila zuzen lur lauan sartzea nahikoa da zein ordu den jakiteko. Edozein pertsonak ikusten du lurrera proiektatzen den objektuen itzala eguzkia ateraberri denean luzeagoa dela. Gero, goiza pasa ahala, itzala gero eta laburragoa da minimora iritsi arte, eta arratsaldean luzatuz doa berriro. Itzala motzena denean, eguerdia da, eta lurrean marka egiten da horren erreferentzia edukitzeko.

Gero lurrean tartean beste markak eginaz, orduaren berri izan dezakegu. Zehaztasun handirik gabe, hori bai. Baina oso informazio baliagarria da. Izan ere Eguzkiaren higidura da gure bizimoduari benetan egokitzen zaion erloju bakarra. Neonezko argien eraginez, ahaztua eta baztertua dugu eguzki-erlojua, baina eguerdiko ordubateko otordua, benetan hamabietan egiten da. Era berean, arratsaldeko bostetan ikasleak eskolatik ateratzen direnean, benetan lauretan hartzen dute askaria, Eguzki-ordua kontutan harturik. Izan ere tartea dago gobernuak ezartzen duen ordutik egiazko ordura. Bata, funtsik gabekoa da berez, eta benetako orduaz nahastu egiten gaitu. Bestea berriz, Lurrak bere ardatzarengan duen biraketan oinarritzen da.

Horiek horrela, eguzki-koadrantea da gure Naturari ondo egokitzen zaion neurgailu bakarra. Baina bi oztopo nagusi ditu: hodeiak daudenean ezkutatu egiten da batetik, eta bestetik gauez ez du funtzionatzen. Gizarte modernoan mundu osorako denbora neurtzeko sistema bakarraren premia gero eta nabarmenagoa da. Lurrean zutik sartutako makila izan zen lehen erlojua; "gnomon" izenekoa hain zuzen. Aspaldi hasi ziren erloju hura erabiltzen. Lehendabizi itzalaren luzeran oinarritzen ziren eta geroago itzalaren norabidea ere kontutan hartzen zuten. Itzalaren muturrak egunero hiperbola deskribatzen zuen, baina egun bateko hiperbola ez zegoen bezperakoaren pare-parean, zeren eta eguerdiko itzala luzeagoa ala laburragoa zen urtaroen arabera.

Eguzki-koadrantea etorri zen gero bere hobakuntza eta guzti. Makila edo haga, ez bait du bertikala; inklinatua eta poloen ardatzarekiko paralelo baizik. Horri esker, iraupen berdineko orduak iragarriko dituzten markak egin daitezke. Neurketa urtaro batean ala bestean egiteak gainera, berdin dio. Eguzki-koadrante eramangarriak agertu ziren gero. Patrikazko eguzki-erlojuak zirela esan dezakegu. Iparralderako norabidean orientatzea eta latitudearen arabera doitzea besterik ez zitzaien egin behar.

Eguzki-koadranteak, mundu osoan erabili izan dira eta mende honen hasieran bertan, zenbait trenbide-geltokietako penduluak doitzeko erabiltzen ziren. Eguneroko erabilpenerako ordea, badute akats bat. Ekintza batzuren iraupenak neurtzea izan ere, oso zaila da. Zenbat denbora behar da adibidez Gasteizetik Iruñera joaten?, edo Anboto mendiaren gailurreraino igotzen?. Horretarako zerotik hasi eta Lurraren biraketarekin bat datorren higidura propioa duen kontagailua behar zen. Sinpleena, poloen ardatzari itsatsitako zirkulu zatitu bat ipintzea litzateke, baina neurri astronomikoa du irtenbide horrek, eta oraindik ez du inork Lurra miniaturizatu eta erloju-kaxa batera sartzerik lortu.

Dirudienez grekoek lortu zuten denbora-tarte txikiak neurtzeko lehen tresna; hizlarien saioak neurtzeko hain zuzen. Hareazko erlojuak ederki mugatzen zituen ordulaurden eta orduerdiko hitzaldiak. Ordubetekoa jasatea, zailagoa zen. Oraindik ere, arraultzak egosteko erabiltzen dira hareazko erlojuak, baina Ekialde Hurbilean izan zuen arrakastarik handiena. Han itsasoan ere erabiltzen bait zen portuko ordua ezagutzeko.

Urezko erlojua

Urezko erlojua, klepsidra, funtsean gauza berdintsua zen. Zulotxo batetik fluidoa pasaraztean oinarritzen zen hura ere. Era askotakoak egiten ziren. Batzuk txirrina ere bazuten eta hamabi orduz etengabe funtziona zezaketen.

Erloju mekanikoa.

Klepsidren oztopo bakarra, hareazko erlojuena bezalaxe, duten diseinuaren ondorio da: ez dute denbora tarte berdinetan zatitzen. Izan ere uraren eta harearen zuloan zeharko abiadura, presioaren araberako da. Presioa berriz, gero eta txikiagoa da uraren edo harearen altuera txikiagotzen den neurrian. Klepsidra eta hareazko erlojuek ordea, abantaila handi bat bazuten.

Eguraldia hodeitsua zenean ere neurtzen zuten denbora. Baina doitasuna falta zuten. Denbora-unitatea zehatz-mehatz ezin zen neurtu. Sistema mekanikoak iritsi zirenean lortu zen lehedabizikoz egiazko neurgailu zientifikoa. Lehen organo erregulatzailea, ezker-eskuin oszilatzen zuen barra bat izan zen. Penduluaren balantzak, Galileok aurkitutako ezaugarri berezia zuen: atzera-aurrerako osizlazioak, anplitude jakin baterako iraupen konstantea du.

Horretan oinarriturik, balantzazko erlojuak gero eta zehatzagoak, gero eta konplexuagoak egin ziren. Mendeetan zehar mekanismoak hobetuz, egunean segundo-milaren doitasuna zuten erlojuak lortu zituzten. Eskumuturreko erlojuek, espiral batez sortzen zuten oszilazioa. Tik-tak zaratatxoa ateratzen zuten, eta hori entzutea zen ondo zebilenaren seinale.

Kuartzozko erlojua

Doitasuna, askoz ere handiagoa da hauetan. Hilabetean segundo bat edo besteren aldea besterik ez bait dago. Baina erloju elektriko guztiek bezala, kuartzozkoak pila bat behar du. Pila, noizbehinka aldatu egin behar da (urtebetetik bost urtera bitartean). Hori erraz egiten da gizarte industrializatuan, baina Asia, Afrika edo Hegoameriketako leku askotan pila berriak aurkitzea ia ezinezkoa da.

Kasu horietan automatikoki kargatzen den erloju mekanikoa da onena. Doitasun handia ordea, ez dago lortzerik erloju horien bitartez. Hamar urte martxan ibili ondoren, egunero hamabost edo hogei segundoko akatsa izaten bait dute. Beraz Himalaiako aldapatan gora doan mendizaleak edo Amazonetako oihanetan dabilen esploratzaileak, erremedio bakarra du: eguzki-koadrantea egin eta astero bere erloju mekanikoa eguzkiarekin bat ipintzea.

Baina kasu horretan ere energiaren premia dago. Izan ere erlojua azken finean Lurrak bere ardatzaren ingurukoa bezalakoxe biraketa duen motorea besterik ez bait da. Etengabeko eta betirako higidurarik ez dagoenez, motorea era bateko edo besteko energiaz elikatu behar da. Kuartzoa iritsi zen arte, pertsonaren giharreak ematen zion energia erlojuari. Eskuz betetzen zen klepsidra, eskuz igotzen ziren erlojuen pisuak eta eskuz konprimatzen erloju mekanikoen malgukiak. Erloju automatikoek ere, besoaren higiduraren premia dute.

Erloju suitzarrak japoniarrari eraso dio.

Pila elektrikoak badu abantaila bat edo beste. Pertsona bat bihotzekoak jota denbora luzez geldirik dagoenean ere, erlojuaren motoreak funtzionatu egingo du. Baina oihanean dabilenak ezingo du pila berririk han erosi. Eguzkia ordea, edozein lekutan egiten du eta Eguzkia da denboraren egiazko iturria. Eta japoniarrak izan dira (beste behin) Eguzkiaren bitartez motorea biraraztea lortu dutenak.

Eguzkia erlojuen energi iturri

Aspaldi honetan ezagunak dira zelula fotoelektrikoak; argia elektrizitate bihurtzen dutenak alegia. Errendimendua, ez da ona (gehinez %10ekoa) eta lortutako korrontea Eguzkitan dagoen azaleraren araberakoa da. Potentzi apur bat nahi izanez gero, metro karratutako panelak behar dira. Baina kuartzozko erlojuek oso gutxi behar dute eta zentimetro karratu bateko zelula aski da, nahiz eta eguraldi hodeitsua egin edo lanparen argia bakarrik egon, erlojua elikatzeko. Sistema hau erabili nahi zuten erlojugileek ordea, nola gainditu oztopoak ilunpetan?

Irtenbidea, edozeini bururatzeko modukoa da: zelula handiagoa ipini eta egunez energia metatu, gero gauean ilunpetan gastatu ahal izateko. Sistema hau askotan erabili da; untzitako eguzki-paneletan adibidez. Baina ez da egokia erlojutarako, behar bezalako metagailurik ez dagoelako. Berunezko bateriak, automobil, kamioi eta abarretakoak, ezin dira miniaturizatu. Bestetik, kargaldia luzeegia da. Aeronautikako bateriatan, zilar/zink edo kadmio/nikel erakoetan, arazo bera dago eta oraingoz erlojutarako bide hori ez da emankorra.

Gaur egun badira eskumuturreko "eguzki-erloju" izenekoak. Izena ez da ordea egokia. Erloju hauek, sei edo zazpi aldiz karga daitekeen pila bat dute eta daukaten eguzki-zelulak, egunez pilaren lana zerbait arindu egiten du. Bestela esan, zelula fotoelektrikoa pilaren lagungarri besterik ez da. Pilaren iraupena luzatu egiten du, baina erlojua ez da inola ere autonomoa.

Oztopoa gainditzeko, pilak eta bateriak baztertuta beste bide bat aurkitu behar zen elektrizitatea metatzeko. Beste sistema hori, kondentsadorea da. Kondentsadore arruntak ordea, tartean mintz isolatzailea duten bi plaka metaliko ditu, eta bere errendimendua oso txikia da. Hattori-Seiko etxeko injineru japoniarrek, kondentsadore elektrikolitiko berezia lortu dute, eta horri esker egiazko eguzki-erloju autonomoak egin dituzte; argi hutsez funtzionatzen duten erlojuak.

Azter dezagun bada laburki kondentsadore hau eta elektrizitate estatikoari dagokion zenbait fenomeno. Jakina denez, zenbait materialek, zapi batez igurtzita, paper-pusketak eta beste pieza arinak erakartzen ditu. Edozeinek ikusi ditu antzeko fenomenoak zuntz sintetikozko erropetan.

Kuartzoaren bibrazioek, zirkuitu elektronikoa moldaturik, bolantearen oszilazioak ordezkatu dituzte, doitasuna asko hobetuz. Baina kanpotik energia eman behar zaio (pila dago malgukiaren ordez). Erlojua ez da erabat autonomoa.

Esperientziak erakusten duenez, erakarpen-indar hauek karga elektrikoek sortzen dituzte eta positiboak edo negatiboak izan daitezke. Azken finean karga hauek atomoko oinarrizko partikulak dira. Funtsezko karga negatiboa, elektroia da eta positiboa protoia. Baina atomoak berak eta atomo-taldeak (molekulak), kargaturik egon daitezke beren egituran elektroi gehiegi ala gutxiegi badaude. Ioi negatiboak ala positiboak direla esaten da orduan.

Elektrikoki kargatutako edozein gorputzek, kargez osatutako geruza duela kontsidera daiteke. Karga hauek ikur berekoak aldaratu egiten dituzte eta kontrako ikurrekoak erakarri. Beraz, karga libreak dituen eta ondoan dagoen gorputzean eragiten du gorputz kargatuak. Elektroi-geruza hau, isolatzailean geldirik egon eta eroaletan desplazatzen den fluidoaren antzekoa da. Kargen desplazamendu hau da korronte elektrikoa.

Har dezagun orain lurretik isolaturik eta igurtzimenduz kargatutako disko eroalea. Beste disko eroale berdinari (isolatuari) hurbiltzen badiogu, karga elektrikoa handiagotu egiten da. Diskoak zenbat eta gehiago hurbildu, are eta gehiago haziko da karga. Esperientzia hau egiten hasi zirenean, karga elektrikoak diskotan kondentsatu egiten zirela pentsatu zuten, eta horregatik eman zioten "kondentsadore" hitza mekanismo hari. Hurbileko bi azal eroalezko sistemari, kondentsadore deitzen zaio eta gai da karga elektrikoak gordetzeko edo armadura biak eroale batez konektatuz gero kargak emateko.

Kondentsadorea beraz, elektrizitate-metagailua da, eta metatzeko ahalmena edo kapazitatea Faraday izeneko unitatetan neurtzen zaio. Kondentsadoreak badu ordea puntu ahula, eta zera da: kargak armaduratan hazi txikiak lurrean bezala banaturik dituenez gero, azalera ikaragarrizko (kilometroko) plakak behar dira neurri interesgarriko kapazitateak lortzeko. Faraday-a kapazitate-unitatea da eta bere balioa Volta zati Amperea da. Baina praktikan ikaragarria da. Faraday bateko kondentsadoreak, 10 kilometroko aldea duen bi plaka metaliko izango lituzke milimetro bateko tartera ipinita.

Kondentsadorearen kapazitatea handiagoa da armaduren arteko tartea txikiagoa bada, eta isolatzaile indartsuagoa ipintzen bada. Baina orduan plaken artean egon daitekeen tentsioa txikiagoa izango da. Izan ere kargek armadura batetik bestera zuzenean txinparta batez saltatzeko joera dute, tentsioa handi samarra denean. Praktikan, irrati eta telebistetako kondentsadore handiak Faradayaren milioiren bat edo besteko kapazitatea edukitzen dute eta txikiek mila milioiren bat edo batzuk. Erlojuko kuartzoari Amperearen milioiren bat edo besteko korrontea zerbitzeko, Faradayaren hamarren batzutako kondentsadorea behar da.

Horretaz gain kondentsadoreak hasieran azkar deskargatzeko joera duela (eta ez emekei-emeki ordutan zehar) kontutan hartzen badugu, arazoa konponezina dela esan daiteke. Eta hori egia zen teknika klasikoak erabiliz. Ez ordea geruza bikoitzaren printzipioa erabiliz. 0,33 Faradayko kapazitateak lortu dira alkandorako botoiaren tamainuko kondentsadoretan, baina tentsioa 4 edo 5 Volt-ekoa izanik. Geruza bikoitzeko printzipioa agertzea ez da erraza. Guk dena den, eskematikoki adieraziko dugu. Esperientziak erakusten duenez, eroale desberdinetako kontaktu-azaletan fenomeno elektriko bereziak gertatzen dira.

Fenomeno hauek argitzeko, zera onartzen da: bi eroaleen kontaktu azaletan geruza bikoitza dagoela. Geruza horiek kontrako polaritatea duten azaleko karga-dentsitateak dira, elkar erakartzen dutelarik. Geruza bikoitzeko kargen separazioa, igurtzimenduzko elektrizazioan eta gorputz batetik bestera kargak pasatzerakoan gertatzen da.

Eguzki-erlojua.

Fenomeno honetaz baliatzen dira Matsushita eta Hitachi-Maxell etxeek erlojutan erabiltzen dituzten kondentsadore elektrolitikoak. Ioiak garraiatuz metatzen dute hauek energia. Labur esanda, kondentsadoreak bi estalki zirkular ditu bata bestean doiturik, lata biribilaren antza duelarik. Buelta guztian, toru-formako juntura isolatzailea du. Kanpotik begiratuta, erlojutarako pila eta kondentsadorea berdinak dira itxuraz. Barruan, ikatz-hauts aktibo eta elektrolito organikoaren nahastea dago. Tartean, mintz erdiiragazkor batek bolumen berdineko bi gelatxo mugatzen ditu.

Mintza oso mehea da eta disoluzio-gorputzak disolbatzailetik bereziten ditu. Disoluzio-gorputzen molekulek zeharkatzen dute mintza, baina disolbatutakoek ez. Molekulen desplazamenduak presioa eragiten du mintzean, eta presioa disoluzio-gorputz guztiak beste aldera pasatakoan amaitzen da. Termodinamikan fenomeno hau, presio osmotiko izenaz ezagutzen da eta dituen legeak Van't Hoff fisikariak argitaratu zituen. Mintz hauek, iragazki hautesleak dira, eta ezagunena kobre ferrozianurozkoa da.

Elektrozinetikan, mintz erdiiragazkaitzak dira osmosi elektriko eta hauspeaketa- edo iragazketa-potentzialeko fenomenoen oinarri. Oinarri elektrostatikoa eta termodinamikoa dute beraz kondentsadore hauek. Mintzak, aukeratu egiten ditu pasatzen uzten dituen molekulak. Ioi positiboei pasatzen uzten badie adibidez, ioi negatiboei ez. Horrela, kargak alde batean metatzen dira eta potentzial-diferentzia edo tentsioa sortzen da.

Gure kondentsadorean, karga elektrikoak alde batean biltzen dira ikatz-partikulen inguruan. Armadurei tentsioa aplikatzen zaienean (kondentsadoreko bi estalkiei alegia), goiko partean dauden ikatz-partikulek karga positiboak hartzen dituzte adibidez, eta behekoek negatiboak. Gero, geruza elektriko bikoitzen printzipioari jarraituz, ioi negatiboak agertzen dira elektrolito organikoan ikatz-partikula positiboak inguratuz, eta ioi positiboak beste aldean. Ioi positibo eta negatiboak libre dabiltza likidoan, baina batzuk bakarrik (positiboek adibidez) zeharka dezakete erdiko mintza. Karga positiboak horrela, alde batean pilatzen dira eta negatiboak bestean, baina oraindik ere kargei behar duten azalera eskaintzea falta da.

Eta orain hartzen dute parte ikatz-hauts mikroskopikoek. Har dezagun adibidez karbonozko kubo bat. Bere azalera osoa, aurpegi batena bider sei da. Kubo hori erditik ebakitzen badugu, beste bi aurpegi ditugu, eta azalera osoa lehenengo aurpegi batena bider zortzi dugu. %30 gehiago beraz. Kuboa diagonaletik ebakitzen bada berriz, azalera %50 gehiago da gutxi gorabehera. Ebaketa bakoitzak beraz, azalera 1,5 aldiz handiagotzen du.

Baina 1,5eko arrazoia duen progresio geometriko batean emaitzak berehala doaz oso gora. Praktikan, zentimetro bateko aldea duen kuboaren azalera, 6 cm ² -koa da. Baina kubo hori mikra baten tamainako hauts izateraino xehetzen bada, azalera 60.000 cm ² -koa da, eta hori 2,45 metro luzeko plaka karratua edukitzea adinakoa da.

Suitzarren erasoari, eguzki-erlojuaz erantzun diote japoniarrek.

Egia esan, mikrako partikulak baino txikiagoak ipin daitezke esegidura koloidalean, eta orduan azaleraren biderkadura-faktorea milioiraino iristen da. Kondentsadoreen kapazitatea, eroaleen azalerarekiko zuzenki proportzional dira eta eroaleen arteko distantziarekiko alderantziz proportzional. Kondentsadore honetan, bi karbono-partikulen arteko distantzia mikra (milimetroaren milarena) baino txikiagoa da eta horrek kapazitatea asko igotzen du, baina aldi berean tentsioak ezin du Volt gutxi batzuk baino handiago izan. Bestela txinparta saltatuko litzateke.

Faraday baten herenera iristea beraz, hautsaren azalera handia, partikulen arteko distantzia txikia eta mintzean zehar ioiak elektrolitoan norantza bakarrean desplazatzeari zor zaio. Termodinamikoki, lana tenperaturagatik sortutako molekula-higidurari zor zaiola esango litzateke. Kondentsadore hau bestetik, guztiz elementu pasiboa da. Ez dago oxidazio- edo erredukzio-erreakzio kimikorik bateriatako pilatan bezala. Beraz, desgasterik gabeko kondentsadorea da.

Estalkiak eta elektrolito organikoa denboraz zerbait alda daitezke, baina oso denbora luzea behar dute horretarako. Hamar urtean bere kapazitatearen %30 inguru gal dezake. Horrek ordea ilunpean gelditu baino lehen egon daitekeen denbora bakarrik mugatzen du (120 ordu kristal likidozko pantailadun erlojuetan eta 50 ordu orratzezkotan). Praktikan, kondentsadoreak hogei urte baino gehiago iraun beharko luke.

Kondentsadore honi esker, eskumuturreko eguzki-erlojua egia bilakatu da. Hattori-Seiko etxeak "Pulsar" eta "Lorus" izenez komertzializatzen dituzte. Lehendabizikoa, 30.000 pezetatan saltzen dute estankoa bada, eta 20.000 pezetatan bestela. "Lorus"a berriz, 12.000 pezetakoa da orratzak baditu eta plastikozkoa eta digitala bada, 5.000 pezetakoa. Erloju-mota honek ez du ez malgukirik eta ez pilarik, baina zaindu egin behar da. Orratzak dituzten erlojuak, argi minimo baten beharra dute. Hiruzpalau minutu eguzkitan edukita, 48 orduz lan egin dezakete. Eguraldi hodeitsuan ordea orduerdia pasatxo behar dute horretarako, eta lanpara-argiz hamabi ordu.

Erlojua alkandoraren mahukapean ezkutaturik mantentzen bada, azkenean gelditu egingo da. Iparraldera orientaturiko eta leiho txikia duen gela batean badago ere, gaizki funtzionatzen hasten da. Gaizki funtzionatzearen seinaleak ordea, berehala ezagutzen dira: segundoro inpultsua eman ordez, bi sengudoan behin ematen du, eta aldaketa hau gertatzen denez gero 15 orduz segiko du funtzionatzen doitasunik galdu gabe. Orduan, eguzki-argitan minutu batzutan kargatzen uztea komeni da.

Pila eta kondentsadorea. Itxuraz bakarrik dira berdinak.
Botoi-formako pilak, transistore-irratietakoak bezalakoak dira. Elektrolitoa eta bi elektrodo dituzte. Pila ahitzen denean aldatu egin behar da.Eguzki-erlojuen kondentsadorean, zelula fotoelektrikoak emandako energia metatzen da. Energia handia oso leku txikian gordetzen du. Elektrolito organikoan karbono koloidala eta mintza daude. Mintzean zehar ioi positiboak pasatzen dira eta tentsioa sortzen da mintzaren bi aldeetan. Karbono-hautsezko milioika partikulei eta kargen alde baterako desplazamenduari esker, kondentsadore txiki honek Faraday heren baten kapazitatea du; transitore-irratitakoek baino miloi bat aldiz gehiago.

"Lorus" erloju digitalak, 120 ordurako erreserbak ditu eta nahiko azkar kargatzen da. Gelditzea gehiago kostatzen zaio, baina ez da haatik espeleologoarentzako erlojua. Kargaturik eta deskargaturik dagoen arteko tentsio-aldaketa, 1,8V-etik 0,9V-erainokoa da. Horrek gorabehera txiki batzuk eragiten dizkio kuartzoaren maiztasunari, eta erlojuaren doitasuna eguneko 1 segundokoa da. Hori da "Lorus" digitalari neurtu diogun akatsa. Orratzezko eredua hobea da: asteko 2 edo 3 segundoko akatsa. "Pulsar 2001" eredua da denetan doitasunik handienekoa.

Prozesu fisiko konpexutako elementuak elkartuz (zelula fotovoltaikoa, potentzial elektrozinetikoa, mintz erdiiragazkaitza, karga-garraioa, piezoelektrizitatea, mikroprozesadoreak etab.) eskumuturreko eguzki-erlojuak aro berri bati hasiera eman dio denboraren neurketan, eta aldi berean zirkunferentzia bat ixten du: denbora Eguzkiaz neurtzen hasi ziren aintzina eta Eguzkira itzuli gara berriro.